STM32＋FPGA的导常振动信号采集存储系统

摘 要 ： 针 对 工 厂 重 要 设 备 运 输 途 中 可 能 损 坏 的情 况 ， 本 文 设计 了一 套 采 用 ＳＴＭ３２Ｆ１０３＋ＦＰＧＡ 框 架 的无线 传输 的 振 动 信号 采 集 存储 系统 ， 可以 用 于 重 要 设 备 运 输 过 程 中 异 常 振 动 的 实 时 监 测 。 首先 将 系统 刚 性 连 接 在 被 运 输 设 备 上 ， 通过三 轴振动传 感 器 获 得振 动 数据 ， ＦＰＧＡ 对 数据 进 行 采 集 、 存储 ， ＳＴＭ３２ 通过 无线 模 块 将 数据 发 送 至 相 应 的 上 位 机中 、 进 行 相应 的 振 动 参 数 判 断 ， 以 确 定 设 备 的 运 输 状态 。 振 动 台实 验 与 实际 碰撞 实 验结果 证 明 ， 该 无线 三 轴振 动 信 号 采 集 存储 系统能 够 应用 于 运 输 设 备 的 异 常 振 动 监 测 ， 且 具 有 易 安 装 、 测 量 快速 准确 等 特点 。

０ 引 言

振动 是一 种 普 遍 存 在 的现 象 。 虽 然 利 用振动 特 性 生

产 的振动 筛 ［ １ ］ 、 压 路 机 等 设备 给 日 常 生 活 带 来 了 许 多 便利 ，

但是 更 多 的振动 往往 会 破坏 机 械 设备 ［ ２ ］ ， 比如 在 运 输 过 程

中产 生 的异常振动 往往 会 危 害 到 运 输设备的安 全 ， 为 了 确

保工 厂 某 些重 要 设备 运 输的安 全 性 ， 本 文 利 用 ＳＴＭ３２ 和

ＦＰＧＡ 设 计 了一 套 无线三轴振动采 集 存储系统 ［ ３ ］ 。

目 前 ， 大 多 数振动 监 测设备 都 是 通 过 有 线的振动传感

器 ［ ４ ］ 采 集 数据 ， 但是 运 输 过 程 中 线 缆 不 方 便 布 置 ， 数据 不

能 实时传输 到 上位 机 ， 对 运 输设备的异常振动 情 况 不 能 做

到 实时 监 测 。

本 文 设 计 的无线三轴振动采 集 存储系统 ， 以 ＳＴＭ３２Ｆ１０３

单片 机为 主要 控制 单 元 ， 采用三轴加 速 度传感 器 ， ＦＰＧＡ 将

采 集到 的数据 写 入 ＦＬＡＳＨ ， 并 且 通 过 ＳＰＩ 协议 将 数据 发

送 给 ＳＴＭ３２Ｆ１０３ ， ＳＴＭ３２Ｆ１０３ 将 采 集到 的数据通 过 无线

模 块 ｎＲＦ２４Ｌ０１ 发 送 到 上位 机 ， 上位 机将 数据 进 行 分 析 显

示 。 本 文 以 测 试 振动 台 ［ ５ ］ 为 试 验 对 象 ， 将 采 集到 的振动加

速 度 信号 ［ ６ ］ 存 入 ＦＬＡＳＨ ， 并 且 通 过 无线模 块 将 数据 发 送

至 上位 机 软 件 。 系统预 留 了 有 线 以 太 网 口 ， 确 保 数据 能 够

安 全 可 靠 地 传输 至 上位 机 。

１ 设计 方 案

本 系统 主要 分 为 采 集 存储模 块 和 上 位 机 软 件 部 分 。

系统 整体结 构 框 图 如 图 １ 所示 。

１．１ 硬 件 设计

采 集 存储模 块 主要 包括 主 控 单 元 ， 以 及 信号 采 集 、 调

理 、 存储 ， 数据 发 送 ， ＥＥＰＲＯＭ 模 块 和 供 电 模 块 。

① 主 控 单 元 。 主 控 单 元 采用 ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６ ， ＦＰＧＡ

采 用 Ｓｐａｒｔａｎ ６ 系 列 的 ＸＣ６ＳＬＸ１６

ＣＳＧ２２５ ， 具 有 １６０ 个 通用 Ｉ ／ Ｏ 。 ＦＰＧＡ 与

ＳＴＭ３２ 使 用 标 准 ＳＰＩ 协 议 进 行 通 信 ，

ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６ 通 过 无线模 块 接 收 上位

机 软 件的 指 令 ， 然 后 通 过 ＳＰＩ 通 知 ＦＰＧＡ

做 出 相 应的操作 。

② 信号 采 集 。 主要 是 三 轴 加 速 度

传感 器 与 Ａ ／ Ｄ 转 换 模 块 ， 采 集到 的 信号

为 振动加 速 度 信号 。 加 速 度传感 器 的 选

型 主要 考虑 传感 器 的量程 、 灵 敏 度 以 及 价 格 等 因 素 ， 选择 了

国产 的 压 电 式 ＩＥＰＥ 三 轴 加 速 度 传 感 器 ， 其 产 品 型 号 为

Ａ２７Ｆ０１Ｚ 。 此 款 传感 器 的测量 范围为 ±２０００Ｇ ， 频 率 范围为

２ ～ ５０００Ｈｚ ， 供 电电 压 为 ５Ｖ ， 工 作 电 流 为 ２ ～ １０ｍＡ ， 正 常

工 作 偏 置 电 压 为 ２．５Ｖ 。

Ａ ／ Ｄ 转 换 模 块 采用的 是 ＡＤＳ８６８１ ， 传感 器 信号 经 过

模 拟 板 信号 调 理电路 之后 ， 进 入 Ａ ／ Ｄ 芯片 转 换 成 数 字信

号 之后 存 入 ＦＬＡＳＨ 。 三轴振动数据的采 集 采用 ３ 个 １６

位 的 ＡＤＳ８６８１ ， 最 大采 样 率 为 １ Ｍｓｐｓ ， 供 电电 压 为 ３．３Ｖ

（ 数 字 供 电 ） 和 ５Ｖ （ 模 拟 供 电 ）， 参考 电 压 采用 自 身 内 部

４．０９６Ｖ 的 参考 电 压 ， 其 电路 原 理 图 如 图 ２ 所示 。

的 主要 器 件 为 ＡＤ８０３０ 运放 。

④ 信 号 存 储 。 存 储 模 块 主 要

实现实 时 存 储 传 感 器 采 集 到 的 数

据 ， 避免 突 然 掉 电 等 不 可 抗 因 素 导

致 的数据 丢 失 。 ＦＬＡＳＨ 采用 镁 光

公 司 的 非 易 失 性 ＮＡＮＤ 型

ＭＴ２９Ｆ４Ｇ０８ＡＢＡＤＡ 闪 存 存 储 器

对 Ａ ／ Ｄ 转 换 的数据 进 行 实时存储 ，

如 图 ４ 所示 。 ＭＴ２９Ｆ４Ｇ０８ＡＢＡＤＡ 的存储 容 量 是 ４ＧＢ ， 内

部 分 成 ４０９６ 个 块 ， 每 个 块 有 ６４ 页 ， 页 编 程时 间为 ２００ μ ｓ ，

数据 写 入 速 度 约 为 ８ Ｍｂｐｓ ， 块 擦 除 时 间为 ２ｍｓ 。

⑤ 数据 发 送 。 通 过 无 线 模 块 ｎＲＦ２４Ｌ０１ 发 送 数 据 ，

当 前 端 Ａ ／ Ｄ 采 集到 的数据大于设 置 阈 值 时 ， ＦＰＧＡ 将 数

据 写 入 ＦＬＡＳＨ ， 并 通 过 ＳＰＩ 将 数 据 传 输 给 ＳＴＭ３２ ，

ＳＴＭ３２ 将 数据通 过 无线模 块 ｎＲＦ２４Ｌ０１ 发 送 给 上位 机 。

⑥ ＥＥＰＲＯＭ 模 块 。 ＥＥＰＲＯＭ 主要 是 用于存储配 置

参 数 （ 阈 值 、 延 时 以 及 采 集 时 长 ）， 系 统 上 电 后 ， ＦＰＧＡ 从

ＥＥＰＲＯＭ 中 读 取 配 置参 数 ， 将其 设 置 成 相 对 应的 参 数 。

⑦ 电 源 模 块 。 采用 单 独 一 块 电 源 转 换 电路 板 给 系统

供 电 ， 如 图 ５ 所示 。 外 部电 源 采用 ３．７Ｖ 可 充 电

锂 电 池 供 电 。

在 完 成 以 上 电路 设 计 之后 ， 制作 了 集成 化

印 制 电路 板 ， 如 图 ６ 和 图 ７ 所示 。

１．２ 硬 件 程 序 设计

程 序 设 计 核心 部 分是 通 过 主 控 ＦＰＧＡ 实时

监 测 Ａ ／ Ｄ 数据输 出 ， 一 旦 Ａ ／ Ｄ 输 出 数据大于预

先 设 置 的 阈 值 ， ＦＰＧＡ 就 将 Ａ ／ Ｄ 输 出 数据 写 入

ＦＬＡＳＨ ， 采 集 时 长 为 预 先 设 定 值 。 同 时 ， ＦＰＧＡ

通 过 ＳＰＩ 协议 将 数据传输 给 ＳＴＭ３２ ， ＳＴＭ３２ 通

过 无线模 块 将 数据传输 至 上位 机 ， 系 统 程 序 流

程图 如 图 ８ 所示 。

１．３ 上 位 机 软 件 设计

上位 机 软 件 主要 通 过 无线 接 收 终端 对 系统 进 行 配 置 、

查询 以 及数据 接 收 处 理 。

① 配 置 。 上位 机 通 过 无线 接 收 终端 向 下 位 机 发 送 配

置 指 令 ， 配 置 信 息 包括 采 集 时 长 以 及 Ａ ／ Ｄ 阈 值 。

② 查询 。 上位 机 通 过 无线 接 收 终端 向 下 位 机 发 送 查

询 指 令 ， 下 位 机 接 收 到 之后 通 过 串 口 返 回 配 置 信 息 （ 若 未

配 置 ， 则 返 回值 全 １ ）。

③ 数据 接 收 处 理 。 上位 机 通 过 无线 接 收 终端 将 接 收

到 的数据 进 行 实时 显示。

２ 实 际碰撞 试验 与 振 动 台测 试 及 结果分 析

２．１ 实 际碰撞 试验

为 了 模 拟 设备 在 实 际 运 输 过 程 中 因 为 碰撞 产 生 的振

动 ， 将 系统 与地 面以 一 定 加 速 度 使 其 发 生 碰撞 ， 此 时系统

设 置 的 Ａ ／ Ｄ 阈 值 为 ５ｇ ， 上位 机 接 收 到 系统 因 碰撞 而 产 生

的振动 信号 如 图 ９ 所示 。

由 图 ９ 可 知 ， 本 系统 对 碰撞 产 生 的 振 动 信 号 比 较 灵

敏 ， 能 够 较 好 地 将 信号 采 集 并 转 发 至 上位 机 。 图 中 ， 横 坐

标 为 采 样 时 长 ， 纵 坐 标 为 Ａ ／ Ｄ 量 化 值 。

２．２ 振 动 台测 试 结果

本 系统 使 用振动 台 来 验证系统的可用性 ， 选择 苏 州 苏

实 试 验 仪 器 有限公司 生 产 的型 号 为 ＴＢＲ ３００Ｂ 、 台 体 型

号 为 ＤＣ １０００ １５ 的振动 台 ， 如 图 １０ 所示 。

首先 ， 利 用 上位 机 软 件配 置 好 阈 值 和 采 样 时 长 ， 将 系

统安 装 固 定 在 振动 台 上 之后 ， 将 振动 台 设 置 成 不 同 大 小 加

速 度 环境 下 验证系统的可用性 。

当 振动 台 振动大于系统设 置 的 Ａ ／ Ｄ 阈 值 时 ， 系统通

过 无线模 块 将 数据 上 传 至 上位 机 软 件 ， 上位 机 软 件 将 数据

显示 出 来 ， 以 达 到 实时 监 测的 目 的 。

图 １１ １０ｇ 加 速 度 曲 线

图 １１ 、 图 １２ 所示 分别是 系统 在 阈 值 为 ６ｇ 、 振动 台 加

速 度 为 １０ｇ ， 以 及 阈 值 ２ｇ 、 振动 台 加 速 度 为 ５ｇ 的振动数据

曲 线 。 图 １３ 、 图 １４ 分别是 系统 另 外 两 个 轴的振动 曲 线 。

图 １５ 是 系统 在 阈 值 为 ９ｇ 、 振动 台 加 速 度 为 １４．５ｇ 环境 下

的振动数据 曲 线 。 图 １６ 是 系统 在 阈 值 为 ３ｇ 、 振动 台 加 速

度 为 ７．５ｇ 环境 下 的振动数据 曲 线 。

４ 结 语

本 文 通 过 研 究 ＬＤＰＣ 编 码 原 理 ， 设 计 电 路 实 现 其 在

ＦＰＧＡ 硬件的 板 级 验证 ， 并 在 此 基 础 上 通 过 ＥＤＡ 工 具完

成 后 端 的 自 动 布 局 布 线 流 程 。 通 过 分 析 验证 ， 完 成 工 程的

芯片化 制作 ， 并 通 过 板 级 验证 得 到 完 整 的 ８１７６ 位 的 编 码 ，

解决了 ＬＤＰＣ 编 码 在 硬件实现 上 的问 题 ， 提 出 一 种 新型 编

码方 案 ， 利 用 ＩＣ 设 计 实现 从 宏 观 到 微 观 的操作 流 程 ， 为 探

索 芯片 国产 化 进 程 添 砖 加 瓦 。